井架应力监测装置防爆保温箱研究

张慧杰，李 强，张军锋

（川庆钻探工程有限公司国际工程公司，四川成都 610056）

0 引言

井架应力检测是传统检测中较为重要的一项，不仅有相关的国家检测标准要求，也是确保井架正常作业、保障作业人员安全及现场设备可靠运行不可或缺的环节。采用传统方法检测时，井架检测时必须停止现场作业，会导致生产效率下降、成本增加，而井架应力在线监测系统是在传统人工检测的基础上进行优化，消除了人工需多次检测、多次攀爬井架的危险，通过远程进行监控，为检测人员提供了更加安全高效的检测模式，真正实现了降本增效。

另外，油田钻井作业极易产生可燃性、易爆伴生气体，钻井井场按照危险环境区域划分属于1 区（井口位置）、2 区危险区域。所以钻井井场范围内使用的电气设备应能防止产生火花、电弧或危险温度，在危险环境区域只有安装防爆电气设备才能保证钻井井场人身及设备安全。在钻井作业现场应按照危险区域划分配备相应型号、相应防爆等级的设备，设备防爆标志不应低于环境中危险物的级别与组别。通过调研发现部分钻井井场存在选型不合理或者选用非防爆电气设备的现象。例如，在干燥房和坐岗房中存在许多非防爆产品，如多用插座、监视仪、低压控制箱、断路器、灯具、风扇等，在使用过程中，由于施工需要设备长期暴露在外部环境中，会遭受风吹雨淋等恶劣环境的影响，极易产生腐蚀生锈及损坏而导致无法正常工作。一旦设备内部端子连接处出现电弧、火花，就可能点燃可燃性气体、引起爆炸。这种因不能安全使用防爆电气设备而引起爆炸事故，在所有爆炸事故中占比很高。

本次以石油钻机井架应力在线检测系统为研究基础，需在防爆区域内加装川庆钻探工程有限公司国际工程公司独立研发的数据采集装置监测系统，因成本限制设备无法取得防爆资质，因此采用高于防爆要求的防爆箱放置设备，并按照国家、石油行业标准连接线路进行通电。电器的型式试验是在正常环境条件下进行的，根据GB/T 14048.1—2012《低压开关设备和控制设备》规定，正常使用条件有以下规定：

（1）周围空气温度：最高温度不得超过+40 ℃，且在24 h 一个周期的平均温度不得超过+35 ℃；最低温度不得低于-5 ℃。

（2）海拔：安装地点的海拔不超过2000 m。对用于海拔高于2000 m 的电器，需要考虑到空气冷却作用和介电强度的下降。

1 问题原因

目前在线监测技术发展迅速，市场上应力采集装置非常成熟，种类繁多，价格不一。在线监测模式多种多样，主要分为两大类，即集中式与分散式。其中，集中式的机箱较大，只能放置在司钻房内，且线缆较多，操作较为繁琐；分散式可放置在井架的不同位置，每几个为一个小分支，分散成几个部分，最终统一收集到终端，线缆不繁琐且体积较小，适合用于井架上端。

例3：科技节水火箭发射升空视频，可以在视频选项卡中打开“速度/时间流逝”选项，设置视频的回放速度小于100，利用慢动作效果放慢播放速度，让观众更加清晰的观看到发射过程中，水火箭各部分的变化，详细了解整个发射过程。

基于油田作业要求的防爆背景，经调研发现应力采集装置产品并没有对防爆要求进一步升级，只是提升了防护等级，这不能满足对于油田作业的防爆要求，同时考虑到钻井作业环境恶劣，有些作业现场处于高寒地区，设备可能无法正常运行。

实际上设备的使用环境恶劣，如新疆项目的现场气温最低可以达到-30 ℃，可能带来的影响有：①供电模块不工作，装置断电；②输出信号受到影响，漂移过大；③信号发射端、接收端受阻，传输速度变慢（图1）。

图1 现场温度

另外，作业现场已经开始施工，不仅无法专门停钻进行检测，而且对防爆要求极高。如果临时开发、定制数据采集装置，可能面临的问题有：①周期时间过长，项目无法按时完成；②成本过高，不能达到降本增效的目的。

基于上述考虑，决定对现有数据采集装置进行小规模的独立研究设计，能及时满足项目需求且完成技术方面的自我突破。

2 解决方案与测试

根据调研，数据采集装置选择分散式更符合现场条件，线缆安装不繁琐，满足成本控制要求。

（1）对于防爆的问题，可以在数据采集装置外部加装根据其尺寸进行定制的防爆箱。防爆类型有本安、增安、隔爆等，本安、增安类型虽体积重量较轻，但不满足现场防爆要求，对于可实现防爆要求的隔爆型可以选用铝合金材料使得重量降低。

（2）对于低温的问题，可以在多种方案下进行试验，选择用于石油运输管道保温的电伴热带进行缠绕。电伴热带就伴热类型可分为恒功率电伴热带和自控式电伴热带两类。依据环境的低温，无需考虑对电伴热的温控，故选择恒功率电伴热带，根据现场外部环境、防爆箱的材料，需要的内部温度，通过热功率交换公式、热传导公式等，计算得出需要电伴热带整体功率为60 W，无需控温，并且电伴热带本身也需具有防爆等级要求，对电伴热带尾端要做保护。

本文提供了如下针对该装置的辅助应对措施：①数据采集装置的传输线缆，必须符合耐低温要求；②防爆箱开口必须满足线缆防爆需要，且有缝隙处涂有防爆胶泥；③需专业电工对防爆箱内部进行布线设计，满足现场使用需要。

考虑到四季交替，电伴热带采取了开断控制措施，高于0 ℃时建议关闭电伴热带，低于0 ℃的则必须打开电伴热带开关（图2）。

图2 黑色电伴热带绕防爆箱子四周

为确保在现场可靠实用，对保温装置进行模拟现场环境实验，检测防爆箱内部的温度，测试数据采集装置的正常运转状态。本次测试时间为2021 年底。

2.1 使用两种方法测试防爆盒的温度

（1）室外放置。因测试地点在成都，室外温度在7 ℃，放置时间分别为2 h、4 h，通过读取放置在箱内的温度计获取箱内温度，分别为15 ℃和17 ℃。这说明，常温下增加电伴热带能增加温度为10 ℃。

（2）低温箱放置。在防爆箱内放置热电偶实时测量箱内温度，热电偶悬空，在防爆箱中央，即仪器位置。将防爆箱放置在低温箱二层，加热电伴热带（长度为1.2 m 电伴热带放置在防爆盒下方，长度为3.0 m的放置在防爆箱上方），温度设置为-30 ℃（图3）。4 h 后，有1.2 m 电伴热带的箱内温度为13～15 ℃。

图3 温度传感器及测试环境

2.2 数据采集装置测试

将数采仪器放置于防爆盒内，为验证加装电伴热带的必要性，分别采用不加电伴热、加1.2 m 电伴热带和1.5 m 电伴热带3 种情况进行对比，采集时间0.5 h（因时间原因未作加载试验）。由于不加伴热带无法读取数据，通道全部过载，而1.2 m 与1.5 m 伴热带均可读取数据。为了更好地进行保温，可以使用1.5 m的伴热带。

2.3 根据现场环境进行多次实验

（1）将应变片贴在厚度为5～7 mm 的铁板上，利用重物对铁板进行加载，测试多个数采仪器、多个通道是否对采集速度有影响（表1）。

表1 运行通道测试结果

（2）影响无线传输的原因有距离、各种干扰、温度等，根据原因设计测试，使用四芯屏蔽线连接数据采集仪器、改变与数据采集仪器的距离、测试采集速率与信号强弱。测试在常温下进行，结果见表2。

表2 影响无线传输原因的测试结果

（3）为对比温度对仪器的影响，在低温环境下进行了有线及无线两种工况测试：有线即采用用四芯屏蔽线连接数据采集仪器，所有线缆、仪器都放入低温箱中；无线测试条件下，无线模块、所有线缆、仪器都放入低温箱中（图4、表3）。

表3 低温实验测试结果

图4 低温箱设备

（4）长时间稳定性。将仪器放入低温箱，24 h 后对采集数据与采集速率进行考察（图5）。测试结论是，24 h 过后，整体采集数据平稳，采集速率无变化。

图5 采集数据

（5）为进一步确认防爆箱内温度保护与仪器周围温度，单独将防爆箱放入低温箱，另外在箱内放置热电偶在仪器中部与下方，同时精确校正仪器在现场的使用温度，并根据对低温箱的使用研究，将防爆箱放置在低温箱下方，撤出隔板，使得低温箱的温度更接近于-30 ℃。测试结论是，放置2 h 后防爆箱中心温度15 ℃，防爆箱仪器下方温度-10 ℃，放置6 h 以后温度与2 h 后的变化相差不大。测试过程中如果将防爆箱倒置，中心温度为29 ℃。

以上实验证明，仪器低温可用，并得到以下3 个结论。

（1）在常温与低温环境下，软硬件采集正常，线缆传输正常，有线传输速率5 Hz、无线采集速率0.5 Hz，无线传输距离在50～60 m，倾角传感器采集正常，报警功能正常。通过对采集仪器标定，采集数值属于正常偏差范围内。

（2）在常温与低温环境下，应力应变采集，在有加载与无加载时数据有变化、反应迅速。

（3）设备在无电伴热情况下可找到信号、可采集信号，为确保使用效果建议使用电伴热带加热。

（4）硬件端线缆多次检查，同时接上屏蔽线，所有采集仪器需接地。

为确保使用效果，建议使用低温网线。

3 总结

在石油钻井现场使用防爆箱，可使原先不防爆的应力采集装置在防爆区域内安全使用，并且在恶劣环境下，对内部高精尖设备部件进行保护，确保系统能正常运行。同时，通过对电伴热带的调研及测试，选择了恒功率电伴热带，保持对防爆箱内部温度的持续性，提高整体稳定性。

在整个系统层面，通过对软件端不断优化，使系统整体简洁、反应迅速，而数据实时采集功能，可实现借助表格、历史数据等手段观察井架参数变化的目的，最终，现场设备管理人员可远程在线对井架实时状况进行分析、判断。总之，井架应力在线监测系统的成功应用，为石油钻井现场自动化推广提供了新思路、新方向。